有限元局部强度折减法在反倾岩质库岸边坡中的应用

陈 园

(新疆水利水电勘测设计研究院，乌鲁木齐 830000)

0 引 言

不同类型的边坡有着不同的特点，边坡的变形方式不同导致其破坏方式也不同，根据坡体结构来选择合适的分析方法极其重要[1-3]。

传统的有限元强度折减法是全局强度折减法，通过对坡体进行单元划分，将每个单元体的抗剪强度参数进行强度折减，直至坡体达到极限平衡状态。但在实际工程中，坡体也有可能由于外部荷载的作用发生失稳滑移破坏，岩土体的弱化可能只是失稳因素的一部分，而对于复杂的岩土体结构，岩土体弱化性能有很大差异，如果对所有岩土体进行全局折减，势必会对坡体的稳定性分析造成很大的误差[4-7]。

本文利用有限元软件Phase2对该反倾岩质边坡采用全局强度折减法分析坡体稳定性，再根据其塑形变形范围选择合适的强度折减区域，即利用有限元局部强度折减法分析库岸稳定性。

1 有限元局部强度折减法

1.1 局部强度折减法的定义

通常情况下，结构复杂的坡体其岩土体的性能有很大的差别，局部强度折减法是只对其中抗剪强度低且易弱化的岩土体进行强度折减，而对抗剪强度高且不易弱化的岩土体计算过程中保持不变。

1.2 局部折减土体的选取原则

在局部强度折减法中，最重要的就是要选择局部折减的岩土体和折减区域。通常情况下，该部分区域对坡体的稳定性起着决定性的作用，根据实际工程进行选择，一般选择局部折减土体有以下几种情况：①计算分析人员所关心的区域；②岩质边坡中的层面或者软弱结构面；③坡体内的潜在滑裂带；④水渗流区域或者浸润线以下部分。

1.3 局部强度折减法的计算流程

本文采用有限元软件Phase2进行有限元局部强度折减计算，Rocscience公司研制的Phase2程序是一款能够全面快速简便地计算岩土体二维边坡稳定性的软件，具体计算流程如下：

1) 建立边坡模型。在折减区域未知时，先利用全局强度折减法试算，求解出边坡的潜在滑移面的大致区域。如果预先知道局部折减区域，该步可跳过。

2) 重新建立边坡模型。定义强度折减区域，再进行网格划分，注意不要在网格划分后再确定局部折减区域。

3) 进行有限元局部折减计算。求解出坡体的安全系数和滑移面，观察该滑移面是否处于折减区域内，如果滑移面不在该折减区域内，重新定义局部折减区域。此时因扩大折减区域，再进行有限元强度折减计算，直至最终滑移面在所定义的折减区域内。此时的折减系数为坡体安全系数，对于的位移为临界位移。

2 模型的建立及模型参数

以某滑坡为例，该滑坡在自然条件等因素影响下，长期处于不稳定状态。图1为滑坡全貌图。

图1 边坡全貌图

对研究区勘察资料进行整理，选取库岸的某个典型断面进行分析，对坡面进行适当简化，图2为坡体地质剖面图。

图2 坡体地质剖面图

水库蓄水后，库水位在145～175 m之间变化。库岸边坡每年都会经历一次升降水位变化过程，极大地影响了岸坡的水文地质环境，消落带长期遭受干湿循环作用，岩体强度不断降低，岩体内部结构发生改变，消落带岩体的软化作用将会导致整个坡体的稳定性发生变化。图3为消落带全貌图。

图3 消落带全貌图

消落带以上的岩体由于长期的风化作用，岩土体物理力学参数也出现一定程度的降低。该库岸边坡的岩体结构主要为灰岩，基岩为弱风化灰岩，风化层为强风化灰岩。依据相关试验以及规范[8]，对岩土体相关物理参数进行经验取值。表1为坝坡相关的物理力学参数。

表1 坡体相关物理力学参数

对研究区岸坡某个典型断面进行分析，拟采用有限元软件Phase2对岸坡进行稳定性分析。

3 有限元坡体稳定性分析

根据研究区现场的监测资料，对该库岸边坡的整体变形破坏过程进行分析，认为该岸坡的稳定性主要受消落带岩土体的物理力学参数弱化作用以及风化层的共同影响，拟对该岸坡采取3种工况进行分析。

工况一：在自然情况下，假定岸坡消落带不受库水升降变化的影响，不考虑消落带岩土体的软化作用，对岸坡采用全局强度折减法。

工况二：消落带和风化层弱化。消落带受到库水冲刷软化的影响，风化层受到自然条件下长期风化作用，消落带和风化层的岩土体参数均降低，对岸坡的稳定性分析中只对消落带和风化层采用局部强度折减。

工况三：消落带弱化。消落带受到库水位变化的影响，岩土体发生软化作用，强度降低，对岸坡进行稳定性分析中只对消落带采用局部强度折减。

3.1 工况一分析

在自然状况下，假定岸坡消落带不受库水升降变化的影响，不考虑消落带岩土体的软化作用，利用Phase2软件对该岸坡进行有限元全局强度折减法，即坡体的所有岩土体强度参数进行折减，计算得到岸坡的安全系数为0.61。图4为最大剪应变云图和位移云图。

由图4可以看出，当对岸坡进行全局强度折减时，最大剪应变和最大位移均出现在消落带位置，而基岩位置产生的剪应变和位移均很小。因此，对该坡体进行有限元强度折减法分析时，如果对基岩也进行强度折减，很明显不对的。

3.2 工况二分析

考虑消落带受到库水冲刷软化的影响，风化层受到自然条件下长期风化作用，消落带和风化层的岩土体参数均降低，利用Phase2软件对该岸坡进行有限元局部强度折减法，即只对消落带和强风化层的岩土体参数进行折减，计算得到岸坡的安全系数为0.73。图5为最大剪应变云图和位移云图。

图5 工况二计算结果

由图5可以看出，只对消落带和强风化层的岩土体参数进行折减时，最大剪应变和最大位移均出现在强风化层位置。图3与图4相比，只对消落带和强风化层的岩土体参数进行折减时，最大剪应变的位置发生改变，最大剪应变明显增加；产生最大位移的位置也发生了改变，最大位移也明显增加。虽然最大剪应变和最大位移均增加，但岸坡的安全系数提高了。

3.3 工况三分析

消落带弱化。消落带受到库水位变化的影响，岩土体发生软化作用，强度降低，对岸坡进行稳定性分析中只对消落带采用局部强度折减，利用Phase2软件对该岸坡进行有限元局部强度折减法，即只对消落带和强风化层的岩土体参数进行折减，计算得到岸坡的安全系数为2.6。图6为最大剪应变云图和位移云图。

图6 工况三计算结果

当考虑消落带受库水冲刷，在干湿循环作用下其岩体结构发生变化，岩体强度降低。由图6可以看出，只对消落带进行局部强度折减时，最大剪切应变和位移均只发生在消落带及以下位置，并且计算得到的安全系数为2.6，这与实际工程是不相符的，在对该岸坡稳定性分析时不应只对消落带进行局部强度折减。

3.4 小 结

从以上对岸坡的整体强度折减法和局部强度折减法分析中可知，消落带受库水冲刷，在干湿循环作用下其岩体结构发生变化，岩体强度降低，而上部的强风化层长期受到雨水气候等风化作用，其岩土体物理力学参数也降低。消落带岩体的逐渐损伤，岸坡内发生剪切破坏和张拉破坏的区域不断增大，由坡脚处逐渐向上延伸，直至崩滑体后缘。同时可以看出，岸坡变形过程中，表层岩体主要发生张拉破坏，而深层岩体主要发生剪切破坏。

当采取工况二分析时，即对强风化层和消落带进行局部强度折减时，最大剪应变和位移发生在中部的强风化层。这是因为消落带的岩体强度降低，导致岸坡稳定性降低，岸坡内发生剪切破坏和张拉破坏的区域不断增大，由坡脚处逐渐向上延伸，直至崩滑体后缘，这与实际工程中的监测数据也是吻合的。

4 结 论

利用有限元Phase2软件，对反倾岩质库岸边坡进行有限元分析，采用有限元全局强度折减法和有限元局部强度折减法，对3种不同工况下的坡体进行稳定性分析。

当采用计算工况二分析时，即对消落带和强风化层进行局部强度折减时，其计算结果与实际监测数据相吻合。由于库水位的升降变化，消落带在长期干湿循环作用下，岩土体结构发生变化，强度降低，岸坡内发生剪切破坏和张拉破坏的区域范围不断增发，由坡脚处逐渐向上延伸，直至崩滑体后缘。

不同类型的边坡有着不同的特点，边坡的变形方式不同导致其破坏方式也不同，因此针对不同类型的边坡应选择合适的分析方法。